Введение к работе
Актуальность проблемы. Неустойчивый режим горения в камерах сгорания (КС) летательных аппаратов и различных энергоустановок, предназначенных для сжигания жидких, газообразных и твердых то плив, проявляется в самопроизвольном возникновении вибрационных режимов горения, которые сопровождаются значительными колебаниями скорости тепловыделения, давления и механическими колебаниями КС. Как правило, неустойчивость процессов в камерах нежелательна из-за нарушения ее нормального функционирования, в ряде случаев из-за их разрушения. Однако слабые колебания могут быть полезными, поскольку увеличивают эффективность горения в результате перемешивания горючего и окислителя с активными центрами продуктов горения. Поэтому успех в разработке, доводке и совершенствовании практически каждой высокофорсированной камеры сгорания авиационных и ракетных двигателей в значительной мере определяется состоянием исследований в области диагностики и управления устойчивостью горения. Частной, но важной задачей является такая оптимизация управления, которая позволяет устранить спонтанно возникающие автоколебания - вибрационное горение.
Вибрационное горение является автоколебательным процессом, самопроизвольное возникновение и поддержание которого вызвано взаимодействием периодических колебаний газа в камере с процессом горения. Исследование физико-химических процессов, посредством которых реализуется это взаимодействие - механизмов обратной связи, имеет большое научное и практическое значение. Понимание механизмов обратной связи позволяет целенаправленно воздействовать на них и тем самым управлять устойчивостью горения. Поскольку пламена углеводородных и некоторых других топлив служат источником заряженных частиц, главным образом положительно заряженных ионов и электронов, то одним из современных и перспективных методов воздействия на зону горения являются электрические поля (ЭП) и разряды. Внешние ЭП, приложенные к зоне горения, создействуют на рекомбинацию носителей противоположных зарядов, в частности могут вызывать их пространственное разделение. Появляется возможность управлять распространением пламени, изменяя его формы в ЭП. Воздействуя переменным ЭП и разрядами, можно интенсифицировать турбулентное перемешивание в пламени, вызывать генерацию акустических волн, управлять устойчивостью горения в КС и т.д.
Однако в литературе эти вопросы освещены недостаточно, сведения носят частный характер, в ряде случаев даже противоречивы. Поэтому необходимы дальнейшие исследования в данной области для устранения противоречивых суждений, обобщения имеющейся информации и разработки новых способов диагностики устойчивости процессов горения и средств управления вибрационным горением.
Тема диссертации. Работа выполнена в соответствии с координационным планом Академии наук СССР по программе «Процессы горения и взрыва»
ИОС. НАЦИОНАЛЬНА» | БИБЛИОТЕКА |
УДЯГЛУ
на 1978-1990гг. по теме п 2.4. «Исследование новьж принципов управления и интенсификации процессов горения в различных энергетических установках», грантами РФФИ (98-03-03348а; 00-03-32598а; 03-01-00823а), темпланом Минобразования России (регистрационные номера: 01200100409; 01930001615) и хоздоговорными работами в перечне научных исследований ПНИЛ «Физика неустойчивого горения» Чувашского госуниверситета имени И.Н. Ульянова.
Целью работы является разработка и исследование новых способов диагностики и управления устойчивостью горения в КС с помощью ЭИ и разрядов специального вида.
Основные задачи исследования:
создать экспериментальные установки для комплексного исследования механизмов возбуждения вибрационного режима горения в различных модельных КС, изучения электроакустических характеристик модулированных разрядов и плазмотронов с различными способами модуляции, электрических разрядов специального вида, предназначенные для диагностики и управления устойчивостью горения в КС;
определить роли различных механизмов в развитии неустойчивости горения поющего пламени на гомогенной смеси и сформировать на этой базе физический механизм наблюдаемьж явлений;
изучить закономерности влияния внешних постоянных и переменных ЭП на структуру и поведение фронта горения в распространяющихся и стабилизированных на горелках пламенах;
разработать и исследовать новый способ управления устойчивостью горения за счет организации в зоне горения электрического разряда стабилизированного по току или напряжению в зависимости от задачи управления;
исследовать возможности управления временем и длиной перехода медленного горения в детонацию в трубах, скоростью горения начального очага воспламенения в модели двигателя внутреннего сгорания за счет организации в зоне горения стабилизированного по току или напряжению разряда;
изучить электроакустические характеристики модулированных дуговых разрядов в открытом пространстве и в канале плазмотрона, проанализировать способы повышения устойчивости горения модулированного разряда при повышенных давлениях окружающей среды;
исследовать возможности использования генераторов акустических колебаний на основе модулированных электрических разрядов в качестве внутрикамерного возмущающего устройства для диагностики устойчивости горения в модельных и натурных КС.
Научная новизна работы состоит в разработке новых средств диагностики и управления устойчивостью горения в модельных КС с помощью ЭП и разрядов специального вида.
Получены следующие новые результаты:
1. Впервые экспериментально установлено, что при изменении состава и температуры горючей смеси появляются концентрационные и температурные
интервалы самовозбуждения и молчания поющего пламени на гомогенной смеси из-за изменения фазовых соотношений между колебаниями давления и скорости тепловыделения.
Методами голо графической интерферометрии и рассеяния Ми выявлено, что в температурном пограничном слое у среза горелки под действием звуковых колебаний периодически зарождаются вихревые структуры, которые, взаимодействуя с фронтом пламени, приводят к изменениям на одной из продольных частот трубы-резонатора площади поверхности пламени и тепловыделения. Показана возможность оценки местоположения областей возбуждения (или молчания) и предложен качественный механизм возбуждения поющего пламени.
Разработан и реализован новый, не имеющий аналогов, способ управления устойчивостью горения за счет воздействия на зону горения электрическим разрядом от источника питания с изменяющимся импедансом в зависимости от задачи управления. На примере поющего пламени продемонстрировано, что в случае наложения на зону горения стабилизированного по току разряда за счет дополнительной внутренней отрицательной обратной связи происходит подавление вихреобразования в температурном пограничном слое и колебаний давления на всех гармониках одновременно. В случае воздействия стабилизированного по напряжению разряда наблюдается обратный эффект — возбуждение и усиление неустойчивого режима горения.
Впервые зафиксировано явление образования остаточного ЭП в результате разделения наведенных зарядов и оседания их на стенках трубы при распространении пламени во внешнем ЭП с изолированными электродами.
Предложен качественный механизм воздействия внешних и остаточных ЭП на вибрационный режим распространения пламени, заключающийся в управлении переменным тепловыделением во фронте пламени через изменение формы его поверхности.
Показана возможность активного управления характерными временами и длинами перехода медленного горения в детонацию в полуоткрытых трубах и скоростью горения в закрытых объемах за счет организации в зоне горения стабилизированного по току или напряжению разряда.
Впервые обнаружено явление генерирования акустических колебаний электрической дугой, в которой переменное тепловыделение управляется внешним магнитным полем. Экспериментально изучены электроакустические характеристики амплитудно-модулированных по напряжению и току разрядов в открытом пространстве и в канале плазмотрона при различных внешних условиях.
Обоснована возможность диагностики акустической неустойчивости горения в модельных и натурных камерах сгорания с помощью модулированных электрических разрядов.
Научная ценность работы состоит в том, что ее результаты дают более глубокое понимание физических механизмов взаимодействия электрогидродинамических явлений при неустойчивом горении. Они служат основой для теоретического описания самопроизвольного возникновения автоколебательного
режима горения и влияния внешних физических воздействий на процесс горения в КС различных энергоустановок.
Практическая ценность работы. Результаты проведенного исследования могут быть использованы для прогнозирования различных эффектов, возникающих при горении в ЭП и разрядах, а также при выборе оптимальных условий сжигания разнообразных топлив с учетом электрогазодинамических явлений в пламени.
Установленные в работе закономерности влияния на горение ЭП и разрядов создают предпосылки для разработки принципиально новых способов диагностики акустической неустойчивости в КС.
Способ управления устойчивостью горения с помощью электрических разрядов специального вида может быть использовано для повышения надежности работы КС летательных аппаратов и энергоустановок.
Возможность управления скоростью горения с помощью электрических разрядов можно использовать при проектировании и создании экономичных и экологичных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Разработанные способы визуализации крупномасштабных вихревых структур можно рекомендовать для исследования процессов горения.
Достоверность результатов обусловлена большими объемами информации на многочисленных фоторегистрограмма, осциллограммах физических величин и их спектрах, которые получены при комплексном использовании различных экспериментальных методов. Акустические измерения проводились в аттестованной звукопоглощающей камере с использованием образцовых и повышенных классов точности приборов. Многие важные экспериментальные результаты подтверждены расчетом самого автора и других исследователей.
Автор защищает результаты исследования условий и механизмов возбуждения вибрационного режима горения в модельных камерах сгорания с предварительным смешением компонентов, новые методы диагностики и управления процессом горения с помощью ЭП, модулированных электрических разрядов и разрядов специального вида.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международном семинаре "Механика и физика плазмы и газовых потоков" (Рига, 1981 г.), ГУ-ХГУ всесоюзных семинарах по электрофизике горения (Караганда, 1981-1989 гг., Чебоксары, 1990 г., Челябинск, 1991 г.), DC и X всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (Суздаль, 1989 г., Черноголовка, 1992 г.), XI и XII симпозиумах по горению и взрыву (Черноголовка, 1996, 2000 гг.), II всесоюзном совещании по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой (Одесса, 1985 г.), V и VI всесоюзных совещаниях по электрической обработке материалов (Кишинев, 1985, 1990 гг.), итоговых научных конференциях Чувашского государственного университета (Чебоксары, 1980-1992 гг.), V-XII всероссийских научно-технических семинарах "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика" (Казань, 1993-2000 гг.), XIII-XVI всероссийских научно-технических конференциях "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, аку-
етика, диагностика, экология" (Казань, 2001-2004 гг.), конференции «Физика и техника плазмы» (Минск, 1994 г.), XXVI международном симпозиуме по горению (Италия, Неаполь, 1996 г.), IV международном симпозиуме по химическим двигателям, «Достижения в горении за 100 лет после А. Нобеля» (Швеция, Стокгольм, 1996 г.), X конференции отдела научно-технических исследований ВМС США по двигателям (США, Монтерей,1997 г.), конференции «Физика плазмы и плазменные технологии» (Минск, 1997 г), I конференции Греческой секции института горения (Греция, Афины, 1997 г.), XVII международном коллоквиуме по динамике взрыва и реагирующих систем (Германия, Гейдельберг, 1999 г.), международном средиземноморском симпозиуме — 99 (Турция, Анталия, 1999 г.), международной конференции по оптическим технологиям, измерениям жидких, нагретых и горящих потоков (Япония, Иокогама, 1998 г.), VIII всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г.), XXXIV научно-техническом семинаре «Проблемы теории, конструкции, проектирования и эксплуатации ракет, ракетных двигателей и наземно-механического оборудования к ним» (Саратов, 2001 г.), І-ІІІ международном коллоквиуме по детонации в ограниченных объемах (Санкт-Петербург, 1998 г., Москва, 2000, 2002 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 115 работ, в том числе 1 монография, 9 авторских свидетельств об изобретениях и патештов, 43 статьи, 22 публикации вышли в свет за рубежом.
Личное участие автора. Все экспериментальные результаты получены автором самостоятельно или в соавторстве под руководством и при личном участии диссертанта. Во все методические постановки опытов и физические обоснования экспериментальных результатов вклад автора определяющий.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, основных результатов и выводов по диссертации, заключения и общего списка литературы. Общий объем диссертации составляет 299 страниц, в том числе 122 рисунка, 2 таблицы и 256 библиографических ссылок.
